#5 Regole d’oro nella progettazione PCB per applicazioni di segnali veloci

Per la realizzazione dei circuiti stampati esiste un’infinità di regole e suggerimenti per la buona progettazione, che si basano sull’esperienza, sui limiti tecnologici, su aspetti legati alla fisica e all’elettromagnetismo ed infine su considerazioni di buon senso. In questa infinità di regole scritte e non, di seguito ho deciso di approfondirne 5 che considero le basi fondamentali per raggiungere il giusto risultato nella progettazione di schede per segnali veloci. Questo non è un elenco completo, anzi è minimo e solo l’esperienza e la formazione giusta può fornire tutti i dettagli per essere un professionista nel mondo della progettazione dei circuiti stampati.

Introduzione

Uno tra i principali problemi quando si sviluppano schede elettroniche sono le interferenze elettromagnetiche (ElectroMagnetic Interference - EMI) sia per gli effetti che le emissioni possono avere verso altri sistemi e/o schede sia per quanto riguarda la compliance normativa del settore di riferimento. Dunque, sempre più spesso, la problematica delle interferenze EMI è sentita dai progettisti a partire dalla singola scheda dove una sfida molto importante è la soppressione delle EMI stesse. Purtroppo, le sorgenti di interferenze a bordo scheda possono essere molteplici: microprocessori, relay elettromeccanici, integrati trasmettitori, stadi di alimentazione switching e tanto altro. Tuttavia, non bisogna guardare solo alle sorgenti di rumore ma anche ai cosiddetti “ricettori” ossia tutti quei dispositivi che sono sensibili alle interferenze elettromagnetiche e dunque subiscono i campi generati da terze parti, anche a bordo della stessa scheda. In maniera analoga alle sorgenti, anche nel caso dei componenti sensibili alle EMI ritroviamo un pò tutti i circuiti integrati, a maggior ragione quelli più critici o legati ai valori dei segnali analogici.

Dunque, per ottenere il risultato della riduzione delle interferenze elettromagnetiche e soddisfare gli standard di compatibilità (EMC - ElectroMagnetic Compatibility) bisogna progettare la scheda in modo tale da ridurre l’emissione di interferenze ed avere al tempo stesso una certa immunità dalle interferenze esterne. Si parla dunque di signal integrity e di seguito andremo ad elencare 5 regole fondamentali che consentiranno di ottenere un design robusto del PCB a tali problematiche.

Le 5 regole fondamentali che andremo ad approfondire in questo articolo sono:

Le giuste considerazioni a livello schematico
Lunghezza e separazione delle tracce
Attenzione alla forma delle piste
Il ruolo dei tool di design
Stack-up del PCB

Le giuste considerazioni a livello schematico

La corretta progettazione in termini di compatibilità elettromagnetica (EMC) parte sempre da una corretta scelta della componentistica già durante la fase di concezione del progetto. Ad esempio, primo su tutto è fondamentale selezionare dei condensatori di disaccoppiamento per gli stadi di alimentazione switching che lavorano ad alte frequenze di commutazione. Infatti, con l’adozione di condensatori adatti posti in prossimità di ogni integrato alimentato, riusciamo a ottimizzare le prestazioni di compatibilità elettromagnetica. Nella maggior parte dei casi, i datasheet dei componenti attivi forniscono dettagli e raccomandazioni sulle dimensioni e tipologie dei condensatori di disaccoppiamento per le alimentazioni. Tuttavia, può capitare che alcuni datasheet non riportino indicazioni. In questo caso, è considerata buona regola di progettazione inserire capacità di disaccoppiamento per le alimentazioni in modo da ridurre al minimo le fluttuazioni della tensione di alimentazione e sopperire ad eventuali buchi di tensione.

Figura 1: Condensatori di disaccoppiamento sotto al microcontrollore

Le tensioni di alimentazione generate attraverso dei DC/DC di tipo switching necessitano quasi sempre dell'introduzione di un filtro EMI proprio a causa della natura del convertitore che presenta commutazioni in grado di generare interferenze. Queste interferenze, indicate anche semplicemente come rumore, possono essere diffuse sia per conduzione sulle piste dell'alimentazione (da cui l'utilizzo dei condensatori di disaccoppiamento riportati pocanzi) che irradiate.

Lunghezza e separazione delle tracce

Per garantire la compatibilità elettromagnetica è fondamentale progettare un circuito PCB adatto alla specifica applicazione. Infatti, in funzione del progetto, dei componenti utilizzati o del mondo circostante è necessario prendere le giuste decisioni in fase di design del layout. In linea di principio la buona progettazione vuole che le tracce siano corte e dritte per mantenere il ritardo contenuto e l’impedenza lungo la linea costante. Ogni curva, cambio di dimensione, vias e altro introduce nel tracciato variazioni di impedenza, in particolar modo per i parametri di capacità e induttanza equivalenti della linea.

Alcuni aspetti e regole per la buona realizzazione delle piste possono essere sintetizzati come segue:

- Per le piste veloci è importante considerare che ogni percorso è dato da una resistenza, una capacità e un’induttanza distribuite lungo tutto il percorso e che dipendono dalle caratteristiche dimensionali della pista. Questo vuol dire che durante lo sbroglio del PCB bisogna garantire le giuste dimensioni delle piste ma anche le distanze tra le varie piste in modo da prevenire effetti di crosstalk tra le stesse. Molto importante anche in termini di compatibilità elettromagnetica è il ricorso a piani interni delle alimentazioni (in generale almeno massa e un piano di alimentazione ma questo lo vedremo nei paragrafi successivi).
- Le piste di segnali veloci adiacenti possono influenzarsi tra loro a seguito di fenomeni di natura diversa come il crosstalk (detto anche diafonia), l'accoppiamento di rumore a seguito dei campi magnetici generati al fluire della correnti e altri fenomeni. Dunque, è fondamentale applicare delle regole per la corretta separazione delle tracce. Una di queste è detta "regola 3W" che consente di minimizzare le interferenze tra segnali su piste adiacenti (Figura 2). Questa regola si semplifica dicendo che "la distanza tra tracce di natura diversa deve essere pari a 2 volte la dimensione della traccia stessa indicata con W". Infatti, la norma prende nome di 3W che indica la distanza tra due tracce di larghezza W misurata dal centro delle stesse. Questa regola si applica alle tracce su circuito stampato per segnali diversi tra loro mentre, se prendiamo in considerazione le coppie di segnali differenziali queste possono essere posizionate anche a distanza 2W tra loro anziché 3W. Tuttavia, per evitare accoppiamenti delle piste differenziali con gli altri segnali, in genere queste si posizionano a distanza maggiore (per esempio 8W) dagli altri segnali.
- Per incrementare e migliorare ancora le prestazioni per le tracce veloci è possibile ricorrere a piste vicine (dette “guard trace”) che opportunamente connesse al piano di massa possono ridurre la propagazione dei rumori dovuti al flusso del campo magnetico.
- L’equalizzazione della lunghezza delle piste (Figura 3) consente di contenere la differenza dei tempi di attraversamento di segnali correlati tra loro come quelli dei bus di comunicazione. Maggiore è la velocità dei segnali e maggiore è l’attenzione che bisogna porre nella corretta lunghezza delle piste. Le tecniche per garantirlo sono diverse e dipendono dalle discrepanze da eliminare e dalla tipologia del bus di comunicazione su cui si sta lavorando.

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